(57)【要約】 【課題】  圧電素子により得られる電気信号の強度を増大させてＳ／Ｎ比を向上させるとともに、小型化や低コスト化に優れた燃焼圧センサを提供する。【解決手段】  圧電素子１は、圧電基板１０と、この圧電基板１０の表裏面の少なくとも一方に設けられた内部電極１１ａ，１１ｂと、圧電基板１０と内部電極１１ａ，１１ｂとを応力Ｆが加わる方向に対して直交方向に交互に複数積層されている構成とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と、
該圧電基板の表裏面の少なくとも一方に設けられた内部電極と、
前記圧電基板と前記内部電極とを応力が加わる方向に対して直交方向に交互に複数積層されていることを特徴とする燃焼圧センサ用圧電素子。
【請求項２】
前記圧電基板の応力が加わる方向に対して直交方向の両端面が、面一に揃えられていることを特徴とする請求項１の記載の燃焼圧センサ用圧電素子。
【請求項３】
前記圧電基板の応力が加わる方向及び積層する方向の両方に直交する両端面を覆って設けられた一対の端子電極と、
複数の前記内部電極のうち、前記両端面の一方に端部が露出し前記端子電極の一方に接続された第１の内部電極及び前記両端面の他方に端部が露出し前記端子電極の他方に接続された第２の内部電極とを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼圧センサ用圧電素子。
【請求項４】
前記圧電基板が、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）あるいはランガテイト（Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５Ｏ１４）からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃焼圧センサ用圧電素子。
【請求項５】
前記内部電極が、前記圧電基板と同じ物質を混合された電極材料であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃焼圧センサ用圧電素子。
【請求項６】
積層された前記圧電基板間には、前記内部電極の形成面以外の部分に絶縁層が配されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃焼圧センサ用圧電素子。
【請求項７】
前記絶縁層が、前記圧電基板と同じ物質あるいは同じ物質を混合された材料からなることを特徴とする請求項６に記載の燃焼圧センサ用圧電素子。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の燃焼圧センサ用圧電素子を備えていることを特徴とする燃焼圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室等の高温環境下でも使用可能な圧電素子及びこれを用いた燃焼圧センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の燃焼室内における燃焼圧等の計測には、圧電センサが使用されている。この圧電センサは、機械的負荷（燃焼圧）を圧電素子に与えることにより電荷を発生させ、発生した電荷量に応じて燃焼圧を測定するものである。このような圧力計測用センサとして、１４７０℃までキュリー温度がなく、内燃機関内部の高温状態においても安定して同一の結晶構造を保持でき、その結果、物質的劣化のない状態で内燃機関内部に入れて直接圧力測定可能なランガサイト（Ｌａ3Ｇａ5ＳｉＯ14）単結晶を圧電素子として使用する圧力計測用センサが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平１０−５４７７３号公報  （第５頁、第３図等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の圧力計測用センサでは、単位力あたりに発生する電荷量を示す定数（以下、圧電定数と称する。）ｄ（Ｃ／Ｎ）が小さいランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）単結晶材を圧電素子に使用している。これにより、電荷発生量が少なくなるため、得られる電気信号強度が弱くなり、Ｓ／Ｎ比が低下するという問題がある。したがって、高性能なアンプが必要となり、圧力計測用センサシステムの大型化，複雑化，高コスト化を招くという問題が生じる。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、圧電素子により得られる電気信号の強度を増大させてＳ／Ｎ比を向上させるとともに、小型化や低コスト化に優れた燃焼圧センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するために、この発明は、以下の手段を提供する。
本発明に係る圧電素子は、圧電基板と、該圧電基板の表裏面の少なくとも一方に設けられた内部電極と、前記圧電基板と前記内部電極とを応力が加わる方向に対して直交方向に交互に複数積層されていることを特徴としている。
【０００５】
この発明によれば、上記構成により、応力が積層する方向に対して直交方向に加わると、各積層させている圧電基板の表裏面に電荷が生じる。この発生した電荷を内部電極により、圧電基板を積層した分だけ得ることができる。そして、この電荷量に基づいて圧電基板に加えられた応力を求める。すなわち、積層することにより、得られる電荷量が増加するため、Ｓ／Ｎ比が向上し、測定精度が上がることになる。
【０００６】
また、本発明に係る圧電素子は、前記圧電基板の応力が加わる方向に対して直交方向の両端面が、面一に揃えられていることが好ましい。
この発明によれば、圧電基板の両端面が面一に揃えられているので、圧電基板全体で発生した電荷を効率的に得ることができる。
【０００７】
また、本発明に係る圧電素子は、前記圧電基板の応力が加わる方向及び積層する方向の両方に直交する両端面を覆って設けられた一対の端子電極と、複数の前記内部電極のうち、前記両端面の一方に端部が露出し前記端子電極の一方に接続された第１の内部電極及び前記両端面の他方に端部が露出し前記端子電極の他方に接続された第２の内部電極とを備えていることが好ましい。
この発明によれば、圧電基板の両端面を端子電極で覆うことにより、各内部電極で取得した電荷を端子電極によりすべて集めることが可能となる。
【０００８】
また、本発明に係る圧電素子は、前記圧電基板が、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）あるいはランガテイト（Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５Ｏ１４）からなることが好ましい。
この発明によれば、圧電基板が高温下においても安定した同一の結晶構造及び圧電特性を保持することができるため、内部電極及び端子電極を圧電基板に一体焼成することが可能となり、信頼性を向上させることが可能となる。
【０００９】
また、本発明に係る圧電素子は、前記内部電極が、前記圧電基板と同じ物質を混合された電極材料であることが好ましい。
この発明によれば、圧電基板に内部電極を焼成する際の接着強度を保持することができるため、信頼性を向上させることが可能となる。
【００１０】
また、本発明に係る圧電素子は、積層された前記圧電基板間には、前記内部電極の形成面以外の部分に絶縁層が配されていることが好ましい。
この発明によれば、積層された圧電基板間の短絡を防ぐことができ、また、機械的強度の低下を抑制することができる。
【００１１】
また、本発明に係る圧電素子は、前記絶縁層が、前記圧電基板と同じ物質あるいは同じ物質を混合された材料からなることが好ましい。
この発明によれば、積層された圧電基板間に絶縁層を焼成する際の接着強度を保持することができるため、信頼性を向上させることが可能となる。
【００１２】
本発明に係る燃焼圧センサは、上記本発明の燃焼圧センサ用圧電素子を備えていることを特徴としている。
この発明によれば、圧電素子により得られる電気信号強度が増大するためＳ／Ｎ比が向上し、内燃焼機関内部等の圧力を正確に測定することが可能となる。また、高性能なアンプが必要なくなり、燃焼圧センサを構成する部品点数を減らすことも可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る燃焼圧センサ用圧電素子及び燃焼圧センサによれば、圧電基板と内部電極とを応力が加わる方向に対して直交方向に交互に複数積層されているため、内部電極により得られる電荷量を増やすことができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能となる。また、圧電素子の機械的強度の改善や信頼性を向上させることも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の一実施形態に係る圧電素子１について、図１から図３を参照して説明する。
本実施形態に係る圧電素子１は、車両用エンジン等の内燃焼機関内の燃焼圧を計測する燃焼圧センサに使用されるものである。この圧電素子１は、図１に示すように、圧電基板１０と、この圧電基板１０間に設けられた内部電極１１と、この内部電極１１と電気的及び機械的に接続している端子電極１２とを備えている。
【００１５】
圧電基板１０は、応力（圧力）が加えられると、この圧力に応じて電気信号（電荷）に変換し、圧力の大きさを数値化するものである。ここで、圧電基板１０と内部電極１１との積層方向をX軸、圧力が加わる方向をY軸、圧電基板１０の長さ方向をZ軸とすると、圧電基板１０は、図３に示すように、Ｙ面に圧力が加えられると、この圧力に応じてX面に電荷が発生するものである。すなわち、Ｙ面から圧力が加えられたとき、電束密度は、電束密度（Ｃ／ｍ２）をＤ、加えられる圧力（Ｎ／ｍ２）をＴ、圧電定数をｄとすると、Ｄ１＝ｄ１２Ｔ２が成り立つため、圧力によりＸ面に発生する電荷の電束密度が決まる。この式により、Ｙ面（受圧面）の面積は電荷発生量に影響を与えず、Ｘ面（電荷発生面）の面積は電荷発生量に影響を与えることが分かる。したがって、Ｙ面の面積を小さくし、Ｘ面の面積を大きくすることが望ましい。このため、圧電素子１は、以下に示すような積層構造とすることが好ましい。
【００１６】
圧電基板１０と内部電極１１とは、図２（ａ）に示すように、圧力が加わる方向に対して鉛直方向（直交方向）に交互に複数積層されており、四角柱状の積層体２０を形成している。
積層体２０は両端面２０ａ，２０ｂが面一に揃えられている。また、この積層体２０は、各々の圧電基板１０に圧力が加えられたとき、図２（ｂ）に示すように、正電荷が発生する面を＋Ｘ面とし、負電荷が発生する面を−Ｘ面とすると、＋Ｘ面と＋Ｘ面，−Ｘ面と−Ｘ面とがお互い向かい合うようにして、圧電基板１０を所定の枚数重ね合わせた構成になっている。
また、これらの圧電基板１０は、ランガサイト単結晶を切断して形成したランガサイトウエハから形成されている。
【００１７】
内部電極１１は、その一端が積層体２０の両端面２０ａ，２０ｂに一層おきに露出しており、積層体２０の一方の端部２０ａが露出している第１の内部電極（内部電極）１１ａと、他方の端部２０ｂが露出している第２の内部電極（内部電極）１１ｂとを備えている。
端子電極１２は、図１に示すように、圧電基板１０の圧力が加わる方向及び積層する方向の両方に直交する積層体２０の両端面２０ａ，２０ｂを覆って一対設けられている。複数の第１の内部電極１１ａに電気的に接続した状態で第1の端子電極１２ａ（一方の端子電極）及び第２の内部電極１１ｂに電気的に接続した状態で第２の端子電極１２ｂ（他方の端子電極）が、Ｚ面側に設けられている。これにより、第１の端子電極１２ａでは正電荷を取り出し、第２の端子電極１２ｂでは負電荷を取り出すように構成されている。
一方、端子電極１２ａ，１２ｂと接続されていない内部電極１１ａ，１１ｂの端部には、内部電極１１ａ，１１ｂとほぼ同じ厚さの絶縁層１３が積層体２０の端部２０ｂ，２０ａまで形成されている。これにより、露出していない内部電極１１ａ，１１ｂの端部は、端子電極１２ｂ，１２ａと電気的に接続しない構造となっている。
【００１８】
次に、上記のように構成された圧電素子１の動作について説明する。
まず、燃焼圧センサに備えられたダイヤフラムを燃焼室（図示略）に露出させるように設置する。圧電素子１の受圧面にはダイヤフラムを介して燃焼圧が伝達されるようになっている。そして、燃焼室（図示略）内に挿入されたガソリン燃料が燃焼すると、図１に示すように、圧力Ｆが発生する。この圧力Ｆが圧電素子１に加わることにより、圧電基板１０を形成する結晶が変形し、圧電基板１０表面の変形量に応じて電荷が発生する。そして、図２（ｂ）に示すように、圧電基板１０は発生した電荷の同極がお互い向かい合うようにして積層されているため、一つの内部電極１１ａあるいは１１ｂにおいて２倍の電荷が得られる。さらに、正の電荷は第１の端子電極１２ａにより一つにまとめられ、負の電荷は第２の端子電極１２ｂにより一つにまとめられる。そして、これらの電荷量は、図示しない校正装置によってｂａｒ等の圧力値に変換される。
【００１９】
次に、上記のように構成された圧電素子１は、以下のプロセスにより製造される。
まず、単結晶基板として、ランガサイト単結晶をそのX軸に対し直交するようにして内周刃スライシングマシーン等でスライスし、端面加工によって所定寸法の円形基板とすることにより基板を作製する。次に、この単結晶基板を、両面ラッピング装置によって両面研磨加工し、表裏両面を所望の面粗さにするとともに、この基板を所望の厚さにする。次いで、この基板についてポリッシング（研磨）を行った後、さらにこれを流水で十分洗浄することにより、圧電デバイス用基板（ウエハ）となるランガサイト単結晶基板を得る。
【００２０】
次に、この単結晶基板に内部電極１１ａ，１１ｂとなる導電性ペーストをスクリーン印刷により印刷し、この導電性ペーストを乾燥させる。次いで、圧電基板１０と同じ物質あるいは同じ物質を混合された材料からなる絶縁層１３を単結晶基板に印刷して乾燥する。さらに、導電性ペースト及び絶縁層１３が印刷された単結晶基板を所定の枚数だけ積層し、加熱を行いながら加圧を行って積層物を一体化し、それからダイシングソー等で積層体２０を切り出す。その後、脱バインダを行い、さらに、圧力をかけながら本焼成を行うことによって、積層体２０が得られる。次いで、積層体２０の両端面２０ａ，２０ｂに第１，第２の端子電極１２ａ，１２ｂを塗布し、乾燥させた後、焼き付けが行われ、図１に示すような、圧電素子１が得られる。
【００２１】
すなわち、本実施形態に係る燃焼圧センサ用圧電素子及び燃焼圧センサによれば、内部電極１１により圧電基板１０を積層した分だけ電荷を得ることができるため、信号強度が増大し、Ｓ／Ｎ比が向上する。これにより、精度良く圧力値を測定することが可能となる。また、積層体２０の両端面２０ａ，２０ｂが面一に揃えられているので、圧電基板１０全体で発生した電荷を効率的に得ることができる。また、積層体２０の両端面２０ａ，２０ｂを端子電極１２で覆うことにより、各内部電極１１で取得した電荷を端子電極１２によりすべて集めることが可能となる。
【００２２】
また、圧電基板１０としてランガサイトを用いることにより、高温下においても安定した同一の結晶構造を保持することができるため、内部電極１１及び端子電極１２を圧電基板１０に一体焼成することが可能となり、信頼性を向上させることが可能となる。また、圧電基板１０間には、各内部電極１１の形成面以外の部分に絶縁層１３が配されているため、積層された圧電基板１０間の短絡を防ぐことができ、また、機械的強度の低下を抑制することができる。さらに、絶縁層１３が、圧電基板１０と同じ物質あるいは同じ物質を混合された材料からなっているため、積層された圧電基板１０間に絶縁層１３を焼成する際の接着強度を保持することができるため、信頼性を向上させることが可能となる。
さらに、圧電素子１を燃焼圧センサに用いることにより、圧電素子１０により得られる電気信号強度が増大するためＳ／Ｎ比が向上し、内燃焼機関内部等の圧力を正確に測定することが可能となる。また、高性能なアンプが必要なくなり、燃焼圧センサを構成する部品点数を減らすことも可能となる。
【００２３】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
また、内部電極１１の材料として、圧電基板１０と同じ物質（ランガサイト）を混合された電極材料であってもよい。これにより、圧電基板１０に内部電極１１を焼成する際の接着強度を保持することができるため、信頼性を向上させることが可能となる。
また、本発明の圧電素子１を上述したように燃焼圧センサとして利用する場合に限らず、高温度環境下における圧力計測用として使用するものとしても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧電素子を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る圧電素子を構成する積層体を示す（ａ）斜視図、（ｂ）圧電基板に発生する電荷を示す平面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る圧電素子に用いられる圧電基板に圧力Ｆが作用した場合に圧電基板表面に発生する電荷を示す。＋Ｘは結晶の方位を示す。
【符号の説明】
【００２５】
Ｆ  圧力（応力）
１  圧電素子
１０  圧電基板
１１  内部電極
１１ａ  第１の内部電極（内部電極）
１１ｂ  第２の内部電極（内部電極）
１２  端子電極
１３  絶縁層
２０ａ，２０ｂ  両端面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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